Optimierung der Energieversorgung in der Stadt Ust-Kamenogorsk Von der Fakultät für Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung des Grades einer Doktor-Ingenieurin (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Gulzhan Tleukenova geboren am 13.12.1982 aus V-Kazakhstanskaya (Katon-Karagai, Kasachstan) Eingereicht am: 15.09.2009 Disputation am: 10.11.2009 Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. M. N. Fisch Prof. Dr. techn. R. Leithner 2009
VORWORT " KURZFASSUNG ABSTRACT INHALTSVERZEICHNIS NOMENKLATUR IV V W X 1 EINLEITUNG - 1 " 2 WÄRMEVERSORGUNG VON GEBÄUDEN - BEDARF UND DECKUNG - 3-2.1 Verfügbare Ressourcen weltweit - 3-2.1.1 Fossile Energieträger -4-2.12 Problematik der Emissionen -Einfluss auf klimatische Bedingungen - 5-2.1.3 Regenerative Energieträger -6-2.2 Primärenergieverbrauch und Energieträger in Deutschland - 7-2.2.1 Primärenergieverbrauch -7-2.2.2 Fossile und regenerative Energieträger -11-2.2.3 Potenziale der regenerativen Energieträger -15-2.3 Primärenergieverbrauch und Energieträger in Kasachstan -16-2.3.7 Primärenergieverbrauch -16-2.3.2 Fossile und regenerative Energieträger 17-2.3.3 Potenziale der regenerativen Energieträger 19. 2.4 Energiepreise -20-3 KLIMABEDINGUNGEN - 22-3.1 Klimabedingungen für Deutschland - 22 3.2 Klimabedingungen für Kasachstan - 24 4 TECHNOLOGIEN ZUR ENERGIEVERSORGUNG VON GEBÄUDEN - 27 4.1 Wärmeversorgungsanlagen -27-4.2 Heizsysteme für Gebäude - 28 4.2.1 Heizkessel -28- VI
4.2.2 Zentrales System - Fernwärme -29 4.2.3 Fernwärme im Vergleich: Deutschland - Kasachstan -32' 4.2.4 Wärmeverteilung und-übergabe im Gebäude -33 4.3 Systeme auf Basis regenerativer Energieträger in Deutschland - 34 4.4 Technologien zur Kälteversorgung - 42 4.4.1 Konventionelle Systeme zur Kälteversorgung -42 4.4.2 Kühlsysteme auf Basis regenerativer Energieträger -43' 4.5 Lüftung von Gebäuden - 44 4.5.7 Freie Lüftung -45-4.5.2 RLT-Anlagen -45-4.6 Kraft-Wärme-Kopplung - BHKW - 46 5 BAULICHER WÄRMESCHUTZ VON GEBÄUDEN IN DEUTSCHLAND UND KASACHSTAN -48-5.1 Standard des baulichen Wärmeschutzes in Deutschland -48 5.2 Standard des baulichen Wärmeschutzes in Kasachstan - 50 5.2.7 Anforderungen an die Gebäudehülle - 51-5.2.2 Klassifikation des Gebäudes nach Feuchtigkeitsgrad und Tauwasserfreiheit -51 5.2.3 Wärmedurchlasswiderstand von Gebäudebauteilen -52 5.2.4 Spezifischer Jahresheizwärmebedarf -54-5.3 Gebäudetypologien in Ust-Kamenogorsk, Kasachstan -55 5.4 Wärmeerzeugung und -Verteilung in den Gebäuden - 58 6 SIMULATION DER REFERENZGEBÄUDE - 61 6.1 Definition der Referenzgebäude in Ust-Kamenogorsk - 61 6.7.7 Gebäude Typ 1 -typisches Mehrfamilienhaus -62 6.12 Gebäude Typ 2 - typisches Bürogebäude -64-6.2 Beschreibung des Simulationsprogramms TRNSYS - 66 6.3 Modellbeschreibung in PREBID - 69 6.4 Wärmeschutzstandard für Referenzgebäude - 74 VII
6.5 Simulationsergebnisse (TRNSYS) - 75 6.5.7 Jahres-Heizwärmebedarf -76-6.5.2 Primärenergiebedarf nach [DINV 4108] -81-6.5.3 Nutzungswärmebedarf zur Warmwasserbereitung -81-6.5.4 Vorgehensweise zur Ermittlung des Wärme- und Kühlbedarfs - 82-7 VARIANTEN DER ENERGIEVERSORGUNG IN UST-KAMENOGORSK - 88-7.1 Dezentrale Wärmeversorgung - 89-7.7.7 Ausstattung der Heizzentrale -90-7.7.2 Thermostatventile -90-7.2 Zentrale Wärmeversorgung -90-7.2.7 Nahwärmenetz -91-7.2.2 Hausübergabestation -93-7.2.3 Brauchwasserspeicher -94-7.3 Solarunterstützte Warmwasserbereitung (Variante 2,4 und 5) -94-7.4 Energieversorgungsvarianten -96-7.4.7 Heizenergie- und Heizleistungsbedarf -97-7.4.2 Wirtschaftliche Berechnung -99-7.4.3 Spezifischer Energiebedarf -102-7.4.4 Maximale Heizleistung und Wärmebedarf -103-7.4.5 Variante 1 - Fernwärme aus kohlegefeurten Kombikraftwerk (Referenzvariante, EnEV- Standard, EnEV-30%) -103-7.4.6 Variante 2 - Dezentrale solarunterstützte Wärmeerzeugung mit Erdgas -107 7.4.7 Variante 3 - Zentrale Energieversorgung mit Erdgas- BHKW und Kurzzeit-Wärmespeicher. - 110-7.4.8 Variante 4 - Zentrale solarunterstützte Wärmeerzeugung mit fester Biomasse und Kurzzeit-Wärmespeicher -113-7.4.9 Variante 5 - Zentrale solarunterstützte Wärmeerzeugung mit Erdgas und Langzeit- Wärmespeicher -116-8 VERGLEICH UND BEWERTUNG DER ENERGIEVERSORGUNGSVARIANTEN -122 8.1 Energetische Betrachtung -122 8.2 Ökologische Betrachtung -124 8.3 Wirtschaftliche Betrachtung 125
8.4 Vergleichende Bewertung -129-9 ZUSAMMENFASSUNG -131-10 LITERATURVERZEICHNIS -136-11 ANHANG -143-